ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机的研制

2022-04-24胡海峰熊文祥郑明辉

钻探工程 2022年2期

胡海峰，熊文祥，郑明辉

（浙江杭钻机械制造股份有限公司，浙江杭州 310020）

0 引言

我国是煤炭工业大国，为确保煤矿产业健康发展，加强瓦斯治理对提高煤矿安全保障程度极具重要性［1］。早期，国家煤矿安全监察局提出了“先抽后采，监测监控，以风定产”的十二字方针［2-3］。而煤矿井下钻孔抽采是有效的瓦斯治理手段，坑道钻机是抽采钻孔施工的专用设备。煤矿常用的坑道钻机有三大机型，即分体式、分体式履带、整体式履带。随着煤矿机械化程度的不断提高，履带钻机正逐步替代分体式钻机［4-7］。

目前，传统液压钻机主要由主机、泵站、操作台组成，一般依靠人力搬运，辅助工序长，施工效率低，主要适用于小型煤矿巷道。

整体式履带钻机是将主机、泵站、操作台集成至履带上方，机动性强，移动方便，主要适用于中大型煤矿。在用的整体式钻机受其整体布置结构的局限，基本应用于近水平钻孔，调角范围小，不能有效地进行大角度施工及方便对孔作业［8-9］。

针对目前履带钻机存在的布置不合理情况，本文提出了ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机。它是一种新型钻孔装备，钻机属于整体式，履带驱动，机动灵活，主机配置升降、回转机构，调角范围大，对孔方便，主操作台采用可移动式结构，实现远距离操控，提高了设备的安全性能。具备小巧、机动的结构特点，该设备在中小煤矿使用前景广阔。

1 总体技术

鉴于目前市场应用需求，综合国内外钻机的特点，履带式钻机已广泛应用，同时考虑狭窄巷道的快速搬迁及施工需求，钻机总体方案确定采用履带式、整体布置结构。钻机操作台、动力装置布置于后方，主机布置于前方，采用双立柱外悬挂结构，机动灵活，调角对孔方便，大大节省了钻孔对位、支撑辅助时间，切实有效地提高了钻孔效率，同时减轻了工人的劳动强度［10-11］。

ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机重点解决了钻机的结构布置、变速箱结构、液压系统等关键技术问题。根据钻孔实际工艺需求，经过多方面对比分析，确定钻机主要技术参数如表1 所示。

表1 ZLY2500L 型技术参数Table 1 Technical parameters of ZLY2500L drill

2 钻机主要结构

钻机结构如图1 所示，主要由主副操作台、泵站、油箱、行走装置、变速箱、移动机构及回转动力头等部件构成。主机位于钻机正前方，泵站及主、副操作台位于钻机后方，泵站固定于履带上方。主操作台为活动操作台，副操作台安装于泵站后方，各部件之间采用高压胶管连接。各部件共同安装在履带底盘上，具有自主移动、转向功能，结构紧凑，钻孔移机方便［12-13］。

图1 ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机结构示意Fig.1 Structure of ZLY2500L crawler tunnel drill for coal mines

（1）为方便操作，操作台分为固定式的副操作台以及活动式的主操作台。副操作台主要控制履带行走，钻机的支撑、稳固，动力头的回转、升降、滑移及调角工作。主操作台主要控制钻机立轴的回转，卡盘、夹持器的开、闭以及给进油缸的给进、起拔工作。

（2）泵站采用主、副泵并联式皮带传动结构，主泵是卡盘旋转、履带行走及快速给进用油泵。系统的压力与负载变化相适应，并始终高于负载压力一个小的固定值。副油泵是给进及液压卡盘、夹持器、液压支柱、回转、升降用油泵。系统始终提供恒定的压力。

（3）油箱配备吸油过滤器、回油过滤器、空气滤芯器、液位液温计、截止阀以及冷却器等部件。油箱为旁置式结构，连接、拆卸方便，维修空间大，配备液压油有效存储容量（180 L）。

（4）行走装置由脚踏板、液压支腿、平台、履带总成、回转减速器和回转平台等组成。履带总成配置液压马达驱动，通过驱动轮驱动钢制链板，带动钻车前、后行走。平台固定安装于履带总成上方，作为操作台、油箱、泵站及主机的固定平台。在平台前方安装有回转减速器，其上方安装有回转平台，回转平台上方安装移动机构。当驱动回转减速器回转时，钻机可以实现±90°回转作业。液压支腿固定于行走装置侧方，配备液压锁，方便钻机施工时稳固钻车。

（5）变速箱结构如图2 所示。变速箱为高、低速两挡传动，经螺旋伞齿轮输出至回转动力头。高速挡为2 级减速输出；低速挡为4 级减速输出，可以实现60～680 r/min 跨度转速输出。变速箱由液压马达、变速箱箱体、高低速手柄、回转减速器等部件组成。液压马达为斜轴式手动变量轴向柱塞马达，通过手轮调节马达的单转排量，可以方便实现无级变速输出。按手轮min 指示方向旋转时，排量减小，扭矩减小，转速增加；按手轮max 指示方向旋转时，排量增加，扭矩增大，转速降低。钻机钻进时，可通过变速手柄与调节手轮结合来调整钻机转速，转速范围大，应用范围广。

图2 变速箱结构示意Fig.2 Transmission structure

（6）移动机构用于为钻机辅助支撑、滑移、升降及调整钻孔角度，由滑移油缸、升降油缸、支座、立柱、节套等组成。滑移油缸实现主机前、后滑移功能，方便下套管时让开孔口。升降油缸可以将变速箱与回转动力头整体上、下调节，适应不同高度钻孔施工，可以实现中心高1200～1700 mm 大跨度施工。立柱用于钻进时顶住上顶板，能方便的实现钻机的固定，配备活动式调节杆，适应不同高度巷道施工，适应范围3000～5000 mm。

（7）回转动力头如图3 所示，由机身、主轴箱、卡盘、导柱、回转器、给进油缸、夹持器等部件组成，整体安装在变速箱上面。钻机旋转是由变速箱，经伞齿形轮输出至回转器，回转器通过伞形齿轮带动六方轴回转，传动至主轴箱，主轴箱经齿轮传动输出至卡盘。卡盘采用碟簧与液压夹紧、液压松开的复合式结构，卡盘内部通孔大，可配Ø50、63.5 mm 钻杆卡瓦。主轴箱与卡盘整体通过导柱定位安装至机身上方，通过给进油缸带动，实现钻孔给进、起拔作业，给进行程500 mm。夹持器采用液压卡紧和弹簧松开式结构，内置5 片式卡瓦，夹紧力大，可与卡盘匹配相同直径的卡瓦。通过卡盘、夹持器以及给进油缸的联动控制，实现钻孔打钻、倒杆、卸钻作业。

图3 回转动力头结构示意Fig.3 Structure of the rotary power head

3 钻机液压系统

钻机的液压系统为双泵供油的开式循环系统［14-16］，如图4 所示。

图4 液压系统原理Fig.4 Schematic diagram of the hydraulic system

主泵为钻机动力头回转马达及履带行走动力源，副泵为给进、起拔、卡盘、夹持器、其他辅助提供供油动力。电动机启动后，主油泵2 经过滤器5 吸入低压油，输出高压油，进入多路换向阀13，多路换向阀13 的第一片阀为主机功能切换阀，操作手柄至“主机”位置，主泵液压油进入多路换向阀19，多路换向阀19 第一片阀控制马达的正、反转及停止；多路换向阀19 第二片阀控制给进、起拔、停止和浮动；多路换向阀19 第三片阀控制卡盘打开和关闭；多路换向阀19 第四片阀控制夹持器打开和关闭。当马达手柄处于中位时，切换给进、起拔手柄，大泵与小泵合流，实现快速给进、起拔。

多路换向阀13 的第二、三片阀，控制履带马达行走，手柄向前推履带前进，手柄向后拉履带后退，手柄一前一后履带原地旋转。

副泵3 经过滤器7 吸入低压油，输出高压油进入多路换向阀31 及多路换向阀32。

多路换向阀31 第一个手柄为切换手柄，操作手柄置于“主机”位置，实现副泵液压油至副泵功能阀块，副油泵的油液全部进入给进回路由调压溢流阀控制给进压力，阀块出口直接进入多路换向阀19 副泵进油口。副泵功能阀块安装有安全阀及调压阀，安全阀起到限定副泵工作压力，调压阀为给进起拔调压阀，起到钻进及起钻时给进、起拔压力的调节作用。

操作多路换向阀31 第二个手柄实现平台回转功能，控制平台±90°回转；操作多路换向阀31 第三个手柄，实现钻机转角功能，控制回转动力头360°回转；操作多路换向阀31 第四个手柄，控制升降油缸升降功能，实现钻机不同高位孔钻孔作业。

操作多路换向阀32 第一、二、三及四个手柄控制下液压支腿支撑，配置液压锁，可靠锁紧支腿油缸；第五个手柄控制上液压支腿支撑。

液压马达的回转速度（即动力头的回转速度）可以通过操纵马达上的变量手轮来实现。

在夹持器油路中设置有单向阀、液控单向阀及截止阀，夹持器回油通过液控单向阀回油。在下钻过程中，可以操作截止阀，保证夹持器完全打开。

液压系统配置有主、副泵压力表，给进起拔压力表，回油压力表，液位液温计，冷却器，回油过滤器，检修截止阀等附件。

整个液压系统控制简单，维护检修方便，可操作性强。

4 钻机试验

（1）工厂测试。ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机试制完成后，在我公司的萧山工业园区进行了试验，如图5 所示，试验进行了扭矩、转速、高、低换挡、给进起拔力、升降、回转、行走及爬坡测试。测试结果表明，钻机驻车可靠，转弯灵活，钻机升降、调角方便，整机工作稳定，主要参数指标满足设计要求。

图5 钻机现场测试照片Fig.5 Field test of the drill

（2）工业测试。2020 年 12 月，ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机在皖北任楼矿Ⅱ-7226 底抽巷进行试验，与杭钻ZDY3200S 钻机进行了对比测试，其中ZDY3200S 钻机2 班平均进尺在70～80 m之间，而新型ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机2 班平均进尺达到100 m 以上。同时对两款钻机在搬运、调角、对孔及稳固等工序上做了对比，测试数据如表2 所示。测试结果表明，钻机机动性强，效率高，能大大降低人工劳动强度。